（计算机系统结构专业论文）基于能量高效的传感器网络路由算法研究.pdf

摘要 随着“普适计算”技术模式的出现，传感器网络作为一种新型数据采集的 技术手段，在未来具有无限光明的应用前景。目前。传感器网络许多相关技术 内容仍然处于探索阶段，比如：网络协议设计、能源管理、数据传输安全性和 可靠性等问题。只有有效解决所面临的这些技术闯题，传感器网络才能有机会 真正应用到军事、医疗、商业、教育、环境等领域，发挥潜在的巨大价值，才 能真正转化为生产力。因此，对其研究是大有裨益的。本文从解决传感器网路 路由协议算法角度进行探讨，作了一些有益的尝试，主要反映在以下四个方面： 第一，论述了传感器网络区别于其它无线鼹络( 如m a n e t 、蜂窝网络) 的一 些内在特征，分析了一些传感器网络路由算法设计的影响因素。对现有的一些 传感器网络路由协议算法进行分类的基础上，综述了它们的优缺点及其性能问 题，为设计新的性能更好的路由协议算法奠定基础： 第二，为延缓传感器网络寿命，提高能量使用效率，提出一种新的能效高 的可靠聚类路由算法多类头方法的传感器网络聚类路由算法。该算法采用 每个类多类头节点共同承担类头节点的作用收集数据、聚合数据并发送数 据包到s i n k 节点，解决单类头节点因故障等原因带来的不可靠而导致的能量损 失，改善网络能量使用效率，提高数据传输可靠性。在仿真环境下，该算法与 单类头方法的聚类路由算法进行了比较，结果表明，该算法改善了能量消耗均 衡性，提高了能量使用效率以及类头节点数据传输可靠性，从而也有效延长了 网络寿命。 第三。从关注能量节约和均衡运用来延长网络寿命的角度，提出一种新的 基于权重引导的多跳路由算法，该算法适应连续流数据传输应用模型的需要， 在兼顾每个节点的能量状况的同时，充分利用路由方向性信息，引入路由权重 概念，可以实现引导节点既考虑能量均衡使用，同时实现快速路由数据到目标 节点( 即s i n k 节点) 的目的。经仿真验证，该算法有效节约能量，均衡使用能 量，延长网络寿命，路由数据快速。 第四，结合传感器网络事件驱动型数据传输模型具有不同于其它数据传输 模型的特点，提出一种基于事件驱动的传感器网络聚类路由算法。该算法以感 知事件出现的所有节点参与路由活动，其它节点保持休眠状态以节省能量，采 用剩余能量多的活动节点为类头节点的选择方法，避免剩余能量少的节点过早 耗尽能量。仿真结果表明，该算法在均衡各节点能量开销，节约能量，延长网 络寿命等方面性能表现较好。 关键字：传感器网络，无线传感器网络，普适计算，路由协议，路由算法，聚 类算法，多跳路由，多类头，权重引导，事件驱动 a b s t r a c t a san e wt e c h n i q u eo fi m p l e m e n t i n gu b i q u i t o u s c o m p u t i n g ，w i r e l e s s s e n s o r n e t w o r k s ( w s n s ) c a nb eu s e di nm a n ya s p e c t si nt h ec o m i n gf u t u r e h o w e v e r , s e v e r a lt e c h n o l o g i e sr e l a t e dt ow s n sa r es t i l le x p l o r e d ，s u c ha sn e t w o r km u t i n g p r o t o c o l ，e n e r g ym a n a g e m e n t ，d a t at r a n s m i s s i o ns e c u r i t ya n dr e l i a b i l i t y , e t c i ft h e y c a nb ed e s i g n e ds u c c e s s f u l l ya n di m p l e m e n t e de f f e c t i v e l y , w s n sw i l lr e a l l yb eu s e d i naw i d er a n g eo fa p p l i c a t i o n si nt h em i l i t a r y , h e a l t h ，c o m m e r c e ，e d u c a t i o n ， e n v i r o n m e n te t c ，a n dt h e i rp o t e n t i a la n dg r e a tv a l u e sc a nb ep r o d u c e da n d t r a n s f o r m e di n t op r o d u c t i v i t y t h e r e f o r e ，i ti sm o s tm e a n i n g f u lt om a k es c i e n t i f i c r e s e a r c h e so nw i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k s i nt h i sp a p e r , m a i n l yf o c u s i n go nr o u t i n g t e c h n i q u ei nw s n s ，s o m ep r o b l e m so fd e s i g n i n gw s n s r o u t i n ga l g o r i t h ma r e d i s c u s s e da n ds e v e r a ln e wm u t i n ga l g o r i t h m sa r cp r e s e n t e da sf o l l o w s ： s e v e r a lw s n s i n h e r e n tc h a r a c t e r i s t i c sa r ef i r s t l yd e s c r i b e d w h i c ha r e d i f r e r e n tf r o mt r a d i t i o n a jw i r e l e s sn e t w o r k sl i k em o b i l ea dh o cn e t w o r k ( m a n e t ) o rc e l l u l a rn e t w o r k t h e n ，d e s i g nc h a l l e n g e s f o r r o u t i n g p r o t o c o l si nw s n sa r eo u t l i n e d n e x t , ac o m p r e h e n s i v es u r v e yo fd i f f e r e n t r o u t i n gt e c h n i q u e s i sd o n ea n dt h ea d v a n t a g e s ，d i s a d v a n t a g e sa n d p e r f o r m a n c ei s s u e so fe a c hr o u t i n gt e c h n i q u e sa r ea l s oh i g h l i g h t e d f i n a l l y , s o m ep o s s i b l ef u t u r er e s e a r c ha g a sa b o u tw s n s r o u t i n gt e c h n i q u e sa r e p r o p o s e di nt h i sp a p e r i no r d e rt op o s t p o n es y s t e ml i f e t i m ea n de n h a n c ee n e r g ye f f i c i e n c y , a l l e n e r g y - e f f i c i e n tm u t i n ga l g o r i t h mf o rw s n s ，t e r m e da sc l u s t e r i n gr o u t i n g a l g o r i t h mu s i n gm u l t i c h s o n e - c l u s t e rm e t h o d ( c r a m ) ，i sp r e s e n t e di n t h i sp a p e r t h i sa l g o r i t h ms e l e c t sm u l t i c l u s t e r - h e a d s ( m u l t i _ c h s ) i ne v e r y c l u s t e rt o g e t h e ra so n ec l u s t e rh e a dt op e r f o r md a t af u s i o na n dd a t a t r a n s m i s s i o nt oi m p r o v ee n e r g ye f f i c i e n c ya n de n h a n c ed a t at r a n s m i s s i o n r e l i a b i l i t y , s i n c eo n ec l u s t e r - h e a di n ac l u s t e rm a yb eu n r e l i a b l ea n dc a u s e e n e r g yl o s i n g i nc a s eo fn o d ef a i l u r e d e t a i l e ds i m u l a t i o n so fs e n s o r n e t w o r ke n v i r o n m e n t si n d i c a t et h a tc r a ma l g o r i t h mi m p r o v e se n e r g y e f f i c i e n c y , b a l a n c e se n e r g yc o n s u m p t i o no fa l ls e n s o rn o d e s ，e n h a n c e sd a t a t r a n s m i s s i o n r e l i a b i l i t yo fc l u s t e r - h e a da n dp o s t p o n e sn e t w o r ks y s t e m l i f e t i m ei nc o m p a r i s o nt oc l u s t e r i n gr o u t i n ga l g o r i t h mu s i n go n e c h - o n e c l u s t e rm e t h o d an e wm u l t i - h o pr o u t i n ga l g o r i t h m ( w d ma l g o r i t h m ，w e i g h t - d i r e c t e d b a s e dm u l t i - b o pr o u t i n ga l g o r i t h m ) t om e e tt h er e q u i r e m e n t so ft h e c o n t i n u o u sa p p l i c a t i o nm o d e li sa l s op r o p o s e di nt h i sp a p e r 1 1 l i sa l g o r i t h m c a nt r a n s f e rd a t a q u i c k l yt og o a l s e n s o rn o d e u s i n gt h e d i r e c t i o n a l i n f o r m a t i o na n dr w v s ( r o u t ew e i g h tv a l u e ) o fs e n s o rn o d e sa sw e l la s b a l a n c ee n e r g yc o n s u m p t i o no fa l ls e n s o rn o d e s d e t a i l e ds i m u l a t i o n so f s e n s o rn e t w o r ke n v i r o n m e n t si n d i c a t et h a tt h i sa l g o r i t h mi m p r o v e se n e r g y e f f i c i e n c ya n dp r o p o a i o n se n e r g yc o n s u m p t i o no fa l ls e n s o rn o d e st oe x t e n d n e t w o r ks y s t e ml i f e t i m e ，a n dr o u t e sd a t aq u i c k l yi nc o m p a r i s o nt ot h e f l o o d i n ga l g o r i t h m a ne n e r g y e f f i c i e n te v e n t d r i v e nc l u s t e r i n gr o u t i n ga l g o r i t h m ( f o rs h o r t ， e d ca l g o r i t h m ) f o rw s n si sp r e s e n t e di nt h i sp a p e r t h ea l g o r i t h mc a l l m a k ed e c i s i o n sa b o u tw h i c hn o d e sb e c o m ec l u s t e r - h e a dn o d e sa c c o r d i n gt o t h em a x i m u mr e m a i n d e re n e r g yo fn o d e st h a th a v es e n s e do n ee v e n t o c c u r r e da n df i r s ts w i t c ht oa c t i v es t a t ei ft h e i rs e v e r a lc o m p o n e n t sa r ei n s l e e p i n gs t a t e t h i ss t r a t e g yc a nk e e ps e n s o rn o d e sw i t hl o w e rr e m a i n d e r e n e r g yo u to f b e i n gu s e du pq u i c k l y d e t a i l e ds i m u l a t i o n so f s e n s o rn e t w o r k e n v i r o n m e n t sd e m o n s t r a t et h a te d ca l g o r i t h mr e d u c e se n e r g yc o n s u m p t i o n ， p r o l o n g ss y s t e ml i f e t i m e ，a n di m p r o v e st h ee v e n n e s so fd i s s i p a t e dn e t w o r k e n e r g y k e y w o r d s ：s e n s o rn e t w o r k , w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k ，u b i q u i t o u sc o m p u t i n g 。r o u t i n g p r o t o c o l ，r o u t i n ga l g o r i t h m ，c l u s t e r i n ga l g o r i t h m ，m u l t i - h o pr o u t i n g ， m u l t i c l u s t e r h e a d s ，w e i g h t - d i r e c t e d ，e v e n t d r i v e n 图说明列表 图1 传感器网络的网络结构4 图2 传感器节点结构4 图3 传感器网络通信协议栈5 图4 传感器节点通信子系统能耗情况7 图5 传感器空中撤播的一种部署方式1 4 图6 扩散法的信息爆炸问题2 4 图7 闲聊法的数据重发现象2 4 图8 定向扩散协议的路径发现和数据传输过程2 6 图9 定向扩散协议的两种源节点放置模型2 7 图1 0 l e a c h 协议操作时序图 3 1 图1 1 p e g a s i s 协议节点数据聚集以及传输过程3 4 图1 2 每个类采用多类头节点的聚类路由算法5 0 图1 3 c r a m 和c l 认o 之间关于能量消耗均衡性的比较5 3 图1 4 。c r a m 和c r a o 之间关于数据传输成功率的比较5 3 图1 5 c r a m 和c r a o 之间关于能量使用效率的比较5 4 图1 6 传感器网络仿真环境示意图( s i n k n o d e 位于坐标( 1 0 0 ，5 0 ) 处) 5 7 圈1 7 参数a h p d 关于时问的函数曲线图 ， 5 9 图1 8 参数e q m d 关于时间的函数曲线图5 9 图1 9 参数a e p d 关于时间的函数曲线图 5 9 图2 0 事件驱动型传感器网络数据传输模型示意图6 2 图2 1 两种算法的网络节点平均剩余能藿值比较6 6 图2 2 两种算法的网络节点能量均方羞比较6 6 图2 3 两种算法的网络节点存活率比较6 6 表1 表2 表3 表4 表5 表6 表说明列表 传感器网络路由协议分类 s p i n 、l e a c h 和定向扩散协议间的比较 2 l 3 2 平面路由和层次化路由协议的比较3 8 一些传感器网络路由协议算法的比较4 5 一个传感器节点可能存在的状态表6 3 传感器节点能量模型参数含义及其值一览表6 4 第蕈 第一章绪论 1 1 传感器网络的研究背景 1 1 1 普适计算模式的出现 “普适计算( p e r v a s i v ec o m p u t i n g ) 懒念旺8 9 最早瀛自x e r o xp a r c ( p a l o a l t or e s e a r c hc e n t e r ) 计算机科学实验室首席科学家m a r kw e i s e r 在1 9 8 8 年 提出的“u b i q u i t o u sc o m p u t i n g ( 缩写为u b i c o m p 或u c ) ”思想，现在文献中又 常以“p e r v a s i v ec o m p u t i n g ” 9 日出现。其基本恩想是为用户提供服务的“普 适计算”技术将从用户意识中彻底消失，即用户和周围环境( 无数大大小小的信 息设备) 在潜意识上进行交互，用户不会有意识地弄清楚服务来自周围何处的“普 适计算”技术，就好比我们每天重复羞开电灯、关电灯动作，却不会有意识地问 自己电来自何方发电厂一样。这种计算模式体现出新的特征：不可见性，各种设 备、各种服务将尽量隐藏在人们视线之外，一旦用户需要便及时提供；设备多样 性，在这种计算模式下各种设备都将通过有线或无线网络连在一起t 互连网络相 容性，各种网络，比如：i n t e r n e t 、城域骨干网、局域有线无线网、个人无线 网等在包容异构性的基础上均互连在一起提供各种服务；人机交互多元化，人不 再主动与其周围计算设备交互，而更多的是，周围设备通过捕捉人的声音、虹膜、 步态、情感等信息主动与人交互，为人提供所需的各项服务；等等。它的出现， 将彻底摒弃以往人围绕计算服务的方法，转变为计算以人为中心的方式。实现“普 适计算”将要求从技术上有新的突破，包括移动通信技术、多种类异构网 络互连技术、信息采集技术、小型微型信息设备制造技术以及在这些 设备上运行所需的软件技术( 比如操作系统、中间件) 等等。 在“普适计算”时代，计算机将和各种设备，比如：汽车、娱乐影碟设备、 p d a 、手机、p a l m 等，通过无线或有线网络连在一起。这些设备和计算机一样都 将具有计算、通信等能力，因为今后它们将嵌入式处理器、存储器、通信模块和 传感器集成于一身，通称以信息设备的形式出现。这些信息设备集计算、通信、 第1 页共8 3 页 第一章 传感功能于一身，能方便地与周围各种设备( 包括日常用品冰箱、电视、空调等) 结合在一起。不仅如此，信息设各还可以通过无线网络与互联网连接，并按照用 户的个性需求进行定制各种服务，以嵌入式产品的方式呈现在人们的工作和生活 中或者是手持的，或者是可穿戴的，甚至是以与人们日常生活中所碰到的器 具融合在一起的多样形式体现。最终产生由通信和计算机构成的信息空间将与人 们生活、休闲和工作的物理空间融为一体的结果，这也正是“普适计算”模式期 望实现的目标。 1 1 2 传感器网络应用前景 作为实现“普适计算”的一种新型技术，传感器网络 9 0 ，9 3 9 4 集信息采集、 通信和计算能力于一身，在“普适计算”时代，将注定大有作为。虽然传感器列 络的大规模商业应用由于技术等因素的制约还有待时日，然而近几年，随着m e m s 和通信等技术的发展、计算成本的下降以及微处理器体积的微型化，传感器网络 在越来越多的领域均表现出广阔的应用前景 3 1 3 3 ，1 0 5 。 在军事 3 0 。9 1 上。传感器网络可用来建立一个集命令、控制、通信、计算、 智能、监视、侦察和定位于一体的战场指挥系统。因为传感器网络是由密集型、 低成本、随机分布的无线传感器节点组成，自组织性和容错能力使其不会因为某 些节点在遭受恶意攻击过程中损坏而导致整个系统的崩溃，这一点是传统传感器 技术所无法比拟的，也正是这一点，使传感器网络非常适合应用于恶劣的战场环 境中，使用声音、压力等传感器可以侦探敌方阵地动静，人员、车辆行动情况， 实现战场实时监督、战场损失评估等。 在商业上，传感器网络可实现家居环境、工作环境智能化 2 - 4 ，使用可穿 戴的、移动的传感器和嵌入式传感器等计算设备构成的智能环境实现对人的身 份、姿态、位置、活动和行为等的认知，从而主动为人提供计算服务。例如，嵌 入家电和家具中的传感器与家庭计算控制中心组成的无线网络与i n t e r n e t 连接 在一起将会为人们提供更加舒适、方便和具有人性化的智能家居和办公环境。存 其它的商业领域，如工厂自动化生产线、仓储管理、交互式玩具等方面引入该技 术都将带来全新的设计理念和应用模式 3 2 。 在医疗上，可以实现远程实时监控病人或老人身体状况 5 - 8 。如果在住院 第2 页共8 3 页 第一章 绪论 病人或老人身上安装特殊用途的传感器节点，医生就可以随时了解被监护病人或 老人的情况，进行远程监控，掌握他们的身体状况如实时掌握血压、盘糖、脉 搏、体温等情况，一旦发生危急情况可在第一时间实施救助；也可实现在人体内 植入人工视网膜( 由传感器阵列组成) 让盲人重见光明 9 ，所以，无线传感器 网络将为未来的远程医疗提供更加方便、快捷的技术手段。 在环境监测和保护方面，随着人们对于人类生存的自然环境日益重视，环境 科学所涉及的探索技术手段要求也越来越高。通过传统方式采集原始数据越来越 难以满足人们日益复杂的各种需求，比如：使用温度、湿度、光等传感器构成的 无线传感器网络可为野外随机性的研究数据获取提供了方便，可以实现诸如野生 动植物栖息地生态环境监控 1 0 ，2 5 、生物多样性监控 1 1 、火山爆发监控 1 9 、 河道水文监测 1 2 、森林火情预警监控、水灾预警 1 3 - 1 5 等作用。另外，传感 器网络也可以应用在精细农业 9 2 中，用来监测农作物中的害虫、土壤的酸碱度、 施肥状况和土壤水分含量等。然而，传统采集方式是无法实现以上这些环境监控 和保护应用的。 此外，传感器网络在智能交通领域的应用也非常引人注目【1 6 - 1 8 。比如：为 保护行人生命安全，汽车安装雷达( r a d a r ) 、摄像( c a m e r a ) 等传感器将有助于 增加行车安全，遇到意外状况出现，可最大程度降低行人和车内人员生命受危害 的风险。 1 2 传感器网络结构及其能耗情况 1 2 1 传感器网络的网络结构 所谓传感器网络，可以简单地定义为由部署在监测区域跗近的大量廉价低功 耗的微型传感器节点组成，通过无线通信方式形成一个多跳的无线网络系统，网 络结构如图1 所示。 第3 页菇8 3 页 第一牵 图1 传感器网络的网络结构 这些传感器节点体积小，制造成本低廉，功耗小，计算能力弱，由电池供电， 多数应用中不能更换电池所以节点生命有限，节点之间用无线方式通信，通信 距离短，抗干扰能力弱，构成网络的这些节点数量众多。节点的作用主要体现在 数据采集、数据处理、数据传输和控制，所以，节点肩负着路由器的作用。 传感器网络相关研究项目提出的传感器节点实物模型已有许多 4 5 4 9 ，其 一般的通用结构如图2 所示，主要由4 个模块构成：数据采集模块、数据处理和 控制模块、通信模块和能量供应模块。数据采集模块负责实现数据采集和数据转 换( a d ) 功能；数据处理和控制模块包含数据计算和存储、网络协议配置和使 用等作用；通信模块提供短距离无线通信能力，接收或发送信号：能量供应模块 由电池供电，是其它模块发挥作用的物质基础。 图2 传感器节点结构 s i n k 节点( s i n kn o d e ) 则与传感器节点有所不同，该节点计算能力强，无 第4 页共8 3 页 第章 绪论 线通信能力和抗干扰能力也很强，它】以连续获得能量，所以寿命长，一般数量 少。主要作用在于发布数据收集指令，控制传感器网络各节点的行为， n n n n 运行状况，处理各节点采集的数据，如聚合计算，形成用户所需的有价信息；该 节点同时兼具互联网的终端身份，所以，互联网上的授权用户可以与其联系，获 取监控区域的数据。 1 2 2 传感器网络通信协议栈 s i n k 节点和所有传感器节点都具有通信能力，使用的通信协议栈如图3 所示， 这种通信协议栈将能量和路由感知相结合，将数据集成到网络协议，借助无线媒 介有效通信，促进节点间协同工作。通信协议栈由应用层、传输层、网络层、数 据链路层、物理层以及能量管理平台、移动性管理平台、任务管理平台和安全管 理平台等组成。依据采集任务特点差异性，不同类型的应用软件可以构建在应用 层运行：如果传感器网络具体应用要求数据流传输稳定，传输层将有助于满足用 户这一要求：网络层则关心路由传输层提供的数据：由于监控区域环境存在干扰， 传感器节点允许移动，m a c 游议( 属于数据链路层的组成部分) 必须是能量感知 的，且有能力实现最大程度降低与邻居节点广播碰撞的可能性；物理层专门致力 丁提供简单而健壮的调制、发送和接收技术的支持。此外，能鲞、移动性、任务 和安全管理平台监控节点能量使用情况，节点移动性、任务分发和安全问题，这 些管理平台有助于传感器节点协同完成采集任务，确保数据安全，降低节点能耗， 延长传感器网络寿命。 图3 传感器网络通信协议栈 第5 页共8 3 页 第誊 1 2 _ 3 传感器节点能耗情况 作为一种微电子设备，无线传感器节点只能配置电池，电池电量一般小于 0 5 a h 9 6 ，电压为l _ 2 v 一3 3 v 9 6 9 7 1 。在一些具体应用中，电池更换是不现实 的。所以，节点生命严重依赖于电池供电的持续时间。在多跳a dh o c 传感器网 络中，每个节点都起着数据采集器和路由器的双重作用。一些节点的故障会引起 明显的拓扑变化，可能要求重新路由数据包和重组织网络。所以，能量保护和能 量管理显得特别重要。 在其它移动a dh o c 网络，能耗问题的确被视作重要的设计因素，但不是最 重要的考虑因素，很简单的一个原因，作为网络节点的设备，其电池可由用户更 换。这种网络设计更强调服务质量( q o s ) 而不是能量效率。然而，传感器网络 中，能量效率是一个非常重要的性能指标，直接影响网络寿命。 传感器节点的主要任务是按具体应用的需求检测其周围发生的事件，对采集 的数据进行预处理，然后将其传输出去。所以，节点的能耗由三部分构成：采集、 通信和数据处理。 数据采集消耗的能量随着具体应用特性变化，间断性数据采集可能比持续性 监控采集要少消耗能量。事件监测复杂度对数据采集能耗指标也起着关键性影响 作用。采集区域周围的噪声程度也可能增加检测难度，增大数据采集的能量消耗。 相对于数据采集和数据处理而言，个节点在数据传输方面消耗能量最多。 数据传输的能耗包括数据发送和数据接收两方面。用低发射功率( 如0 d b m ) 进 行短距离通信，发送和接收等量数据所花的能量成本差不多相同 5 0 。在无线收 发器集成电路中，混频器、频率合成器、电压控制振荡器、相同步逻辑( p l l ) 和功率放大器都要消耗能量。所以，传输过程中，不但要计算各种部件工作的功 耗，也要考虑各部件启动功耗。启动时闾大约数百个微妙级，其数值大归结于相 同步逻辑( p l l ) 的锁定时间。当传输数据包长度减小，启动能耗将开始主导整 个一次传输活动的能耗比例，意味着启动能耗是不容忽视的。此时，通过打开和 关闭无线收发器装置来节约能量的方法将是低效的，因为大量能量消耗在每次无 线收发器打开的这个环节一卜。 计算无线电收发器传输过程的功率损失( p 。m ) 公式 5 2 如下： 第6 页共8 3 页 第章 绪论 兄m = ，【b ( l 。+ e ) + 只。乙】+ d 最( j 0 + r ，) 】 ( 1 ) 这罩，p r 、p n 分别指无线发送器和无线接收器的消耗功率；p 。指无线发送器 的输出功率；t 。r 。分别指每个单位时间内无线发送器和无线接收器打开的时间： t 。r 。分别指无线发送器和无线接收器的启动时间；n ，、n 。分别指每个单位时间 内无线发送器和无线接收器打开的次数，依赖于任务和所使用的媒介访问控制 ( m a c ) 策略；t o 也可写成l r ，l 为数据包大小，r 为数据传输速率。 目前流行的低功率无线电收发器典型的p ，和p ，值大约为2 0 d b m ，p 。约为 o d b m 5 3 。为降低数据传输能量开销，有关低成本超小功率低电压无线收发器的 设计研究工作正在进行中 5 4 5 8 。 数据处理能耗远小于数据通信的开销。例如：假定瑞利衰落( r a y l e i g h f a d i n g ) 且能量与距离的4 次方成正比损耗，实验 5 9 表明，1 k b 大小的数据包 传输1 0 0 米的能耗相当于计算能力为i o o m i p s w 的处理器执行3 0 0 万条指令所消 耗的能量。所以，在多跳传感器网络中，为实现能耗最小化，将采集的数据本地 化处理方法是非常重要的。 针对数据采集、接收、发送和计算这四者的能耗问题，c u r ts c h u r g e r s 5 0 等人进行了实验。实验结果 5 0 5 1 表明，发送数据( t x ) 的能耗略大于接收数 据( r x ) ，二者远大于数据处理( 计算) 和数据采集的能耗，如图4 所示。 图4 传感器节点通信子系统能耗情况 第7 页共8 3 页 第翥 1 2 4 传感器节点节能策略 从上- - d , 节的分析可以知道，一个传感器节点具备计算通信能力和与周围环 境交互的能力。节点的低成本和小尺寸因素将要求为其微处理器选择c m o s 技术。 然而，这会限制改善髓效的各种努力，因为每当打开一c m o s 晶体管对( c m o s t r a n s i s t o rp a i r ) 时都要消耗能量，所消耗的能最与开关频度、设备电容和电 压峰值的平方成正比，微处理器计算时具体的能耗计算方法 6 6 ，6 8 表述如下： rj v 、 e = c 。矿品+ ，m df i ( 2 ) l ， 这里，c t , , l 指一次计算的总开关电容量；n 指该次计算所花的时钟周期数：v 。为 电压峰值；f 为时钟频率；i 。为泄漏电流量。 所以，降低供应电压值是减少计算活动状态能耗的有效方法。动态电压缩放 技术( d y n a m i cv o l t a g es c a l i n gt e c h n i q u e ，简称d v s 技术) 6 0 6 7 ，作为传 感器节点节能策略之一，可用于调整处理器供应电压值来匹配操作频度和工作负 荷程度，达到节约能量的目的。当微处理器处理随时间变化的计算负荷时，若在 一个计算负荷不断减少的周期内，简单地减少操作频率可引起能耗的直线f 降， 但降低工作电压值将获得二次方增益。不过，这将牺牲微处理器的峰值性能。若 假定峰值性能并不总是重要的，那么，从公式( 2 ) 可以知道，将获得显著的能 量增益。因此，处理器的工作电压和操作频率可以随瞬时计算负荷状况动态调整 来节约可观的能量。但是d v s 技术需要微处理器硬件特性的支持，要求微处理器 具备可在多种电压下工作的能力，比如：s t r o n g a r ms a - 1 1 0 0 微处理器 5 2 。 另外，传感器节点上安装具有动态能量管理( d y n a m i cp o w e rm a n a g e m e n t ， d p m ) 6 9 7 5 功能的嵌入式操作系统( 如m i t 的p - o s 7 6 ) ，也可改善节点能量 效率。d p m 技术是一种在不严重损害性能的情况下减少系统能耗的有效工具。其 基本思想是当设备不用时让其处于睡眠状态，当需要时再唤醒它。但d p m 技术的 实现不是一个微不足道的问题。如果睡眠状态变迁的能量和性能开销可忽略不 计，那么，当空闲时，置系统于深睡眠状态，采用一个简单的贪婪算法都可以取 得完美的效果。然而，事实上，睡眠状态转换有保存微处理器状态和关闭电源的 开销，唤醒也需要一定的时间。所以，找出睡眠状态转换的正确策略是d p m 技术 第8 页共8 3 页 第章 绪论 成功实现的关键。因此，有人 6 9 提出了一种基于过去工作负荷模式自适应过滤 的工作负荷预测策略来实现d p m 技术。 1 2 5 传感器网络研究内容 自m a r kw e i s e r 1 提出“普适计算”思想后，实现“普适训算”需要开发 和创建新的工具、新的技术以及使用新的解决闽题的思维方法，传感器网络作为 一种新的实现“普适计算”的新型技术，在这样的背景下产生。 当前，为i n t e r n e t 网络和a dh o c 无线网络设计的软件结构可能不适用于传 感器网络。因为相对于传统a dl t o c 无线网络和i n t e r n e t 网络，传感器网络具有 些明显的特征： 第一，网络节点密度高，传感器节点数量众多，单位面积所拥有的网络节点 数远大于传统的a dh o c 无线网络。 第二，传感器节点由电池供电，节点能量有限。由于节点数量多，而且传感 器网络系统往往应用于危险区域或人烟荒芜的地方或人们难以直接操作的地方， 通常是一种无人值守的监视系统，所以，更换传感器节点电池是不现实的。这决 定了传感器节点生命和网络寿命的有限性。 第三，网络拓扑变化频繁。由于节点能量有限，节点易出故障或因能量枯竭 而死亡，导致传感器网络拓扑信息变化快速。 第四，网络应具备容错能力。传感器节点所处的环境通常是恶劣的( 如噪音 多、风吹雨淋等) ，导致节点易受干扰，易出错。这要求传感器网络应具有容错 能力才会有应用前景。 此外，节点体积限制、能量有限决定了节点只能具备有限的计算存储能力和 短距离通信能力，所以，i n t e r n e t 数据包头对传感器网络来说太长，确认数据 包在传感器网络中将尽量避免使用。 因此，为满足传感器网络这些特征，传感器网络的新型软件结构应将能量和 路由感知、数据和网络协议结合考虑，无线媒介通信时更加注重能量效率，邻居 节点间分享信息，协同完成任务。 目前，围绕着传感器网络协议算法、传感数据处理 4 0 、节点体系结构等问 题正在开展的研究项目很多。这里列举一些，比如：s e n s o n e tp r o j e c t 2 0 研究 第9 页共8 3 页 第一章 有关传感器网络协议算法，包括路由层、m a c ( 属于链路层的组成部分) 、能量管 理策略、时间同步策略等以及传输町靠性等问题；s c a d d sp r o j e c t 2 1 研究分布 式传感器网络系统和动态传感器网络系统的可伸缩协同体系结构问题： t e l e g r a p hp r o j e c t 2 2 2 3 和c o u g a rp r o j e c t 2 4 研究有关传感数据查询问题， 因为传感器网络数据查询机制不同于传统的数据查询方法，其奁询方法必须更加 关注网络能量使用效率；e y e sp r o j e c t 2 6 研究自组织的、协同的、能量使用效 率高的传感器网络，侧重于新的网络体系结构方案、通信协议和算法的研究开发； s e n s o rn e t w o r ks e c u r i t yp r o j e c t 2 7 研究传感器网络的安全问题，尤其关注 大规模传感器网络所面临的s y b i l 攻击 2 8 和d o s 攻击 2 9 以及传感器位置感知 安全和数据聚合安全问题。 综观这些研究项目内容，目前，传感器网络主要围绕以下一些内容展开研究： 路由办议算法：原有的a dh o c 无线网络( m a n e t ) 路由协议 3 4 3 6 1 i 适 用于传感器网络，所以，开发新的路由协议算法是重要的研究内容，特别是移动 环境下的传感器网络路由协议尚待进一步观察研究。此外，由于基于地理位置的 路由算法 4 1 具有可伸缩性强特点，在大规模传感器网络中将有应用潜力。在该 算法中，基于相对位置，每个节点不需要保存和维护路由表即可转发信息给其邻 居节点，直观上，该算法具有能量高的特点，然而，目前该算法能量效率情况未 被广泛比较研究，所以，也是值得研究的内容。 m a c 协议算法：同样，现有的m a n e t 网络m a c 协议算法 3 7 3 9 也不能直 接适用于传感器网络，因为无法适应传感器网络的设计目标：节点能量节约、网 络寿命长等要求。直觉上，空间上相分离的节点采集的数据对汇聚点节点( s i n k 节点) 来说比那些位置紧挨的节点采集的数据更有用处。通过媒介访问的协同调 节可以抑制冗余信息的传输，一个节点可以起着代表其它采集到相关数据的位置 紧挨的节点的作用，从而在满足s i n k 节点数据采集服务请求的前提下，又节约 了这些节点的能量。有效实现这种媒介访问策略是m a c 协议算法的研究内容。 能量管理策略；由于传感器节点正常发挥作用的持续时间与电池寿命相关 联，所以，节点各种功能对能量都很敏感。如果节点电池耗尽了能量，这些节点 将失去功能，就无法工作：若这些节点部署在军事上危险的区域或环境恶劣、毒 性强的地方更换节点电池是无法实现的。因此，研究能量管理策略可以有效监 第1 0 页共8 3 页 第一章 管节点能量使用效率，从而有助于延长网络寿命。能量管理策略需与节点的具体 应用、路由协议、姒c 协议和物理层等各种要素结合在一起进行研究。 时间同步镱略：传感器节点在实现目标跟踪、速度估测等作用时，要求监 测这些事件的节点了解事件发生的时间，一些节点采集到的音频、视频数据融合 也依赖时间同步，否则，在s i n k 节点处无法直观袭示。此外，出于安全因素的 考虑，也需要这些节点将采集到的数据包贴上时间标签。结合这几方面要素，传 感器网络时间同步策略必须解决节点自身是能量有限的小节点和延长网络寿命 的矛盾问题，不像i n t e r n e t 上的应用只关心解决发送者和接收者之间的时间同 步问题 4 2 4 4 ，而不将能效加以重点考虑。 安全策略：安全问题【2 8 】是传感器网络今后应用推广中的一个最大障碍， 涉及传感器网络具体应用、路由、定位、数据聚集、密匙管理等多方面的信息安 全 2 7 】。考虑到节点自身计算能力弱、能量有限，原有的在i n m e